双目立体视觉测距系统的研究

论文摘要

双目立体视觉距离测量系统在三维重构、非接触式精确定量测量和危险场景感知等领域有着广阔的应用前景。本文研究了双目立体视觉测距系统的理论并将系统在基于FPGA的嵌入式平台上实现。本文首先针对摄像机成像的特点,介绍了图像坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系,并在此基础上提出了双目立体视觉距离测量的理论。接下来本文研究了标定算法,给出了标定实验的结果。最终提出了以人眼瞳孔为特征点,先定位人脸区域,再定位瞳孔的方法,这样就可以利用标定结果和瞳孔图像坐标重构世界坐标系下的瞳孔坐标。本课题选用基于FPGA Cyclone II EP2C20F484C7的嵌入式开发板DE1作为嵌入式实现平台,辅以SDRAM、拨码开关、LED和自定义外部加速设备实现嵌入式双目立体视觉测距系统。鉴于嵌入式处理器Nios II处理速度较慢,不能满足实时性需求,本文提出了两种提高处理速度的方法:①硬件逻辑实现IEEE规格浮点数取整运算,将该模块作为自定义指令添加进ALU。②设计图像处理加速外设,使用硬件逻辑完成边缘检测等功能,然后通过设计主设备和从设备接口模块将外设挂载在Avalon总线上,使Nios II可以调用该设备加速图像处理。最终实验证明该方法使处理速度提高了约536倍。本文实现的嵌入式双目立体视觉测距系统具有操作简便和测量准确等优势,适用于移动环境以及对成本和实时控制要求较高的场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 双目立体视觉测距系统关键技术
• 1.4 主要研究工作和论文内容安排
• 第二章 双目立体视觉测距理论阐述
• 2.1 摄像机模型
• 2.1.1 摄像机工作原理
• 2.1.2 图像坐标系与世界坐标系
• 2.1.3 线性摄像机模型
• 2.2 摄像机标定
• 2.2.1 摄像机标定的研究
• 2.2.2 两步法标定
• 2.2.3 标定实验
• 2.3 双目立体视觉测距系统的三维坐标重构
• 2.4 小结
• 第三章 双目测距中数字图像特征点的提取
• 3.1 引言
• 3.2 人脸区域的检测
• 3.2.1 人脸检测的背景
• 3.2.2 人脸检测的方法
• 3.2.3 基于OpenCv 库的人脸区域检测
• 3.3 瞳孔位置提取
• 3.3.1 边缘检测
• 3.3.2 瞳孔中心位置计算
• 3.4 双目立体视觉测距实验
• 3.5 小结
• 第四章 双目立体视觉测距系统嵌入式实现
• 4.1 嵌入式系统概述
• 4.2 嵌入式系统总体方案
• 4.2.1 方案论证
• 4.2.2 系统结构
• 4.3 算法的嵌入式移植
• 4.4 OpenCv 的移植
• 4.5 小结
• 第五章 系统性能优化
• 5.1 嵌入式系统与PC 机性能对比
• 5.2 自定义指令优化浮点数取整运算
• 5.2.1 IEEE 双精度浮点数表示
• 5.2.2 硬件逻辑实现浮点数取整
• 5.3 边缘检测的硬件加速
• 5.3.1 总体方案设计
• 5.3.2 从接口模块设计
• 5.3.3 主接口模块设计
• 5.3.4 数字图像处理模块设计
• 5.3.5 软件调用
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果